ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2014, том 78, № 9, с. 1084-1089
УДК 621.385.833
ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ УРАНА В МИКРОЧАСТИЦАХ С ПОМОЩЬЮ РАСТРОВОГО ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА В РЕЖИМЕ ОБРАТНО РАССЕЯННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ © 2014 г. В. Г. Дюков, В. А. Стебельков, В. В. Хорошилов
НП "Лаборатория анализа микрочастиц", Москва E-mail: vdyukov@mail.ru
Рассмотрены представленные в публикациях результаты применения растровых электронных микроскопов в режиме обратно рассеянных электронов для уточнения состава многоэлементных образцов и минералов. Этот подход использован для оценки степени окисления урана в микрочастицах. На примере анализа микрочастиц UO2 и U3O8, а также образцов In, Sn, Pt и Pb продемонстрирована возможность достижения этой цели.
DOI: 10.7868/S0367676514090038
ВВЕДЕНИЕ
Одна из основных задач Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) — контроль деятельности предприятий, работающих с ядерными материалами и поставленных под гарантии МАГАТЭ. В рамках этой задачи инспекторы МАГАТЭ отбирают на предприятиях пробы производственной пыли, которые впоследствии исследуются в аналитических лабораториях. В результате анализа этих проб определяются физико-химические характеристики обнаруживаемых в пробах микрочастиц ядерных материалов: и и Ри. На основании этих данных экспертами делается заключение о составе обрабатываемых на предприятии ядерных материалов и о способах их обработки.
При исследовании урансодержащих микрочастиц определяются изотопный состав урана, мор-фометрические характеристики, элементный состав, наличие примесных химических элементов, а в случае их отсутствия — степень окисления и. Для исследования проб часто используют растровый электронный микроскоп (РЭМ), оснащенный рентгеновским микроанализатором (РМА), который позволяет из сотен тысяч частиц производственной пыли идентифицировать единичные (индивидуальные) урансодер-жащие частицы, изучить их морфометрические характеристики и элементный состав. Точностные характеристики рентгеновского микроанализа при исследовании микрочастиц не позволяют отличить близкие по составу окислы (и02 и из08) и оценить степень окисления и.
Для решения этой задачи иногда применяют существенно более сложные методы и средства. В качестве примера можно сослаться на работу [1], в которой описана технически сложная установка, разработанная на базе источника синхротронного
излучения. Авторы реализовали идентификацию окислов урана в отдельных частицах размером в несколько десятков микрометров по сдвигу спектров краевого поглощения рентгеновского излучения. Удалось установить, что изучаемые в этой работе частицы состоят из и02, и308 или из смеси этих окислов.
Вместе с тем известны работы, в которых показана возможность по контрасту или уровням яркости изображений различных объектов, снятых в РЭМ в режиме обратно рассеянных электронов (ОРЭ), идентифицировать их состав. Подобный способ анализа предложен в патенте [2] и базируется на известной зависимости коэффициента эмиссии ОРЭ п от атомного номера 2 элемента. Зависимость п = /(2) обычно приводится для целых значений Д т.е. для "чистых" элементов. В описываемом способе речь идет об анализе соединений, в состав которых входят несколько элементов. Их эмиссионная способность ставится в зависимость от "среднего" атомного номера X. Значения X, согласно патенту, следует рассчитывать по формуле (1), предложенной в статье [3]:
z=Е )/(Е ),
(1)
где пг — атомные доли г-тых элементов в соединении (целые числа), 2 — атомные номера "чистых" г-тых элементов, входящих в его состав.
В этой работе, опубликованной задолго до того, как РЭМ получили распространение, авторы преследовали цель: определять состав сплавов с регистрацией ОРЭ, эмитированных при облучении образцов электронами от бета-радиоактивных источников. Как представляется, основное преимущество предложенного способа анализа веществ по их вторично-эмиссионным свойствам состоит в том, что при его реализации нет
необходимости измерять токи зонда и ОРЭ. Исходными данными являются уровни яркости, что существенно упрощает выполнение анализа.
В ряде других публикаций также показано, что по изображениям, формируемым в РЭМ в режиме ОРЭ, можно не только уточнять состав сравнительно простых многоэлементных соединений, но даже идентифицировать минералы. В частности, в работе [4] описаны типовые процедуры проведения анализа с применением специальной компьютерной программы. На первом этапе проводится выбор диапазона 2, в котором находятся составляющие минерал элементы. Диапазон 2 по возможности ограничивают, что позволяет выполнить приемлемую по точностным показателям аппроксимацию участка кривой п = /(2) отрезком прямой. При этом значениям п ставятся в соответствие уровни яркости деталей изображения. Фрагмент анализируемого минерала в виде шлифа устанавливается на предметный столик вместе с двумя "эталонными" образцами, коэффициенты эмиссии ОРЭ которых известны с большой точностью. При съемке микрофотографии желательно, чтобы все эти объекты оказались в поле кадра. Правильность выбора режима съемки (устанавливаемые яркость и контраст) контролируется с помощью гистограммы распределения яркости. Уровни яркости, соответствующие эталонным образцам, используются для калибровки аппроксимирующей прямой. Яркости детали на изображении, отображающей шлиф анализируемого минерала, по уравнению прямой соответствует характерное для него "среднее" значение 2.
В программе, используемой для автоматизации анализа, имеется база данных со списком известных минералов и их химическими формулами, а также рассчитанные для них значения 2, которые приведены с шестью значащими цифрами. Именно по этим данным минералы однозначно идентифицируются. Вместе с тем в данной работе обращает на себя внимание то обстоятельство, что погрешности отсчетов уровней яркости при используемой восьми-разрядной дискретизации (256 уровней), не соответствуют точностным показателям, сопоставляемым с ними значениям 2. Кроме того, как показали сравнительные оценки,
приведенные в [4] значения 2 близки к тем, которые рассчитаны по формуле (1), но отличаются от них. При этом в явном виде используемая для их подсчета формула не представлена.
В одной из работ [5], выполненной ранее, в которой также обсуждается применение композиционного контраста (2-контраста) в РЭМ для изучения геологических образцов, предлагается другое выражение (2) для 2 с соответствующей программой для расчета:
2 = (X пА2, )/(£ пА), (2)
где п — число атомов каждого элемента, А1 — атомный вес, — атомный номер, X п1А1 — молекулярный вес.
Следует отметить, что значения 2 для одних и тех же веществ, рассчитанные по (1) и (2), существенно различаются. Это может быть обусловлено тем, что в выражении (2) фигурируют атомный вес составляющих элементов вещества объекта и его молекулярный вес, а по сложившимся представлениям о механизме вторичной эмиссии эти показатели практически не должны оказывать влияние на выход ОРЭ. В этой связи было бы целесообразно подобрать из предлагаемых в публикациях формулу расчетов средних значений 2, с применением которой можно было бы рассчитывать на экспериментально корректные результаты.
В некоторых работах были представлены результаты моделирования генерации рентгеновского тормозного излучения для различных соединений. В ряде случаев это давало возможность повысить точность определения состава многоэлементных образцов при их рентгено-спектральном электронно-зондовом микроанализе за счет использования в соответствующих расчетах "синтезированного" фона вместо измеренного. При этом одним из параметров, характеризующих вещество анализируемого образца, как и в рассмотренных выше публикациях, являлся средний атомный номер.
Как уже отмечено, формула для расчета 2 (2) отличается от (1) учетом различия составляющих соединение элементов по атомным весам. Экспериментальной проверке роли этого фактора была посвящена работа [6]. В ней приведены результаты довольно точных измерений (стандартные отклонения <1%) интенсивностей тормозного излучения от нескольких образцов с изотопами N1, Си и Мо. Было убедительно показано, что изменения в числе нейтронов в ядрах этих элементов влияния на измеренные значения не оказывают.
Авторами [6] было также показано, что расчет 2 по формуле (1) с измененным показателем степени (3) позволяет получить более точные конечные результаты:
2 = (X п^1 )/(Х Щ2Г). (3)
В работе [7], также посвященной моделированию тормозного излучения, был проанализирован ряд предложенных в литературе выражений
для расчета 2. Авторы однозначно установили, что погрешность анализа при использовании разных методов расчета генерируемой интенсивности излучения от многоэлементных образцов минимальна, если вычисление среднего атомного номера выполнялось по формуле (3). Вместе с тем авторы [6] в другой своей работе [8], используя в качестве образцов те же изотопные пары (№, Си и
Mo), провели измерения коэффициентов эмиссии ОРЭ путем прямых замеров тока зонда ibeam и поглощенного тока iabs (п = 1 - (iabs/ibeam)). Для компенсации возможного попадания на образцы вторичных электронов от стенок камеры объектов РЭМ над ними устанавливался изолированный от нее электрод, на который подавалось смещение 22.5 В.
В заключении статьи утверждается, что от изотопного состава образцов процессы, сопровождающие взаимодействие ускоренных электронов с веществом и, в частности, выход ОРЭ, не зависят. Кроме того, авторы, основываясь на данных и на более точных, чем при измерениях тормозного излучения, результатах уточнили предложенную ими ранее формулу и предложили рассчитывать Z по формуле
z=Е «Z-8 VE "Z08). (4)
ОБОСНОВАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОГО ПОДХОДА К ОЦЕНКЕ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ УРАНА В МИКРОЧАСТИЦАХ
Как упоминалось выше, данная работа направлена на расширение области применения результатов рассмотренных разработок, а именно на уточнение состава микрочастиц, состоящих из UO2 и U3O8 или смеси этих окислов. Для реализации аналогичного способа анализа для указанных веществ подходит участок зависимости п = f (Z) в интервале атомных номеров от 50 до 92. Кривая, графиче
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.